本发明涉及无线充电技术领域，特别是一种无线充电电路与系统。
背景技术：
无线电能传输技术，在19世纪90年代，尼古拉.特斯拉实用新型了“特斯拉线圈”，便能够通过空气传播电力，从此便开启了无线式电力传播的时代。
无线充电技术是目前比较流行的充电技术，由于充电器与用电装置之间以磁场传送能量，两者之间不用电线连接，因此充电器及用电的装置都可以做到无导电接点外露，具有使用方便、外形美观简介等特点，被广泛应用在电子产品中例如移动智能终端中。
传统的无线充电方案中，接收端通过感应线圈的电磁感应来实现对能量的传输，最后送入到电池，实现对电池的充电。但根据电磁感应线圈之间的距离变化，无线充电系统的耦合状态也会发生变化；若距离越小，则耦合程度也增大，此时无线能量的发射接收频率加快，充电系统的功率传输能力和效率会同时增大，但当其耦合系数增大到一定值后，后级接收电路会对前级发射电路产生反射电压，使得充电系统的能量功率传输能力随着距离的进一步减小也减小。
因此，如何在保证提高充电效率的前提下，且不牺牲无线充电系统的输出功率能力是在无线充电领域亟待研究解决的问题。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明旨在提供一种无线充电电路与系统，该充电电路与系统不仅具有较高的充电效率，还保证了较高的输出功率能力。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案来实现:
提供了一种无线充电电路，包括充电电路、中间储能电路、负载电路以及控制电路；
所述中间储能电路包括发射电路以及接收电路；所述充电电路用于将外部电源的电能存储进入充电电路中，其输入端连接外部直流电源，输出端通过电连接的方式连接到发射电路的输入端；发射电路的输出端通过磁感应耦合的方式连接至接收电路的输入端，所述发射电路用于将储存在充电电路中的能量抽取到发射电路中；所述接收电路的输出端连接至负载电路的输入端；所述发射电路与接收电路都为谐振网络电路，通过同步谐振，将发射电路的能量通过发射电路的输出端无线传输至接收电路的输入端；所述负载电路的输出端连接有负载，所述负载电路用来将接收电路接收的能量抽取至负载电路中进而传输给负载；所述控制电路用于控制充电电路、发射电路与接收电路、负载电路在不同工作状态下的工作时序控制。
优选地，所述充电电路包括第一二极管、充电电感、第一开关电路以及第一转移电容；所述第一二极管的一端连接至充电电路输入端的第一端；第一二极管的另一端连接至充电电感的第一端，充电电感的第二端连接至第一开关电路的第一端，所述第一开关电路第二端连接至充电电路输入端的第二端；所述第一开关电路的两端并联有第一转移电容，所述第一转移电容的两端即为充电电路的输出端。
优选地，所述发射电路包括第一电容、第一谐振线圈；所述第一谐振线圈的电阻为第一电阻，电感为第一电感；所述发射电路中第一电容、第一电阻与第一电感串联；所述接收电路包括第二谐振线圈、第二电容；所述第二谐振线圈的电阻为第二电阻，电感为第二电感；所述接收电路中第二电感、第二电阻以及第二电容串联；所述发射电路的第一电容、第一电阻、第一电感与接收电路的第二电容、第二电阻、第二电感参数对应相等。
优选地，所述负载电路包括第二开关电路、第四二极管、第五二极管、第二转移电容以及低通滤波电路；所述第二开关电路并联在负载电路的输入端，所述第四二极管的输入端连接在第二开关电路的第一端；所述第四二极管的输出端连接有第五二极管的输出端，第五二极管的输入端连接至负载电路输入端的第二端；第五二极管的两侧并联有第二转移电容；所述低通滤波电路并联在第二转移电容的两端；所述低通滤波电路包括有滤波电感以及第三电容；所述滤波电感与第三电容串联，滤波电感的第一端与第一转移电容的第一端连接；所述第三电容的两端出口即为负载电路的输出端。
优选地，所述第一开关电路包括第一可控晶体管以及并联在第一可控晶体管两侧的反向续流第一二极管；所述第二开关电路包括第二可控晶体管以及并联在第二可控晶体管两侧的反向续流第二二极管。
优选地，所述无线充电电路还包括监测电路，用于监测发射电路与接收电路的电压与电流变化、以及负载电路的输出端的电压电流；所述控制电路接收监测电路监测到的数据，根据发射电路与接收电路的电压电流变化状态识别无线充电电路各部分电路的工作状态，并生成第一控制信号与第二控制信号分别对应控制第一开关电路与第二开关电路。
优选地，所述控制电路在接受到监测电路传来的非正常波动的信号数据时，控制电路还用来生成补偿系数，所述补偿系数对控制电路发出的第一控制信号与第二控制信号进行修正微调，用来对充电电路以及负载电路的电压与电流信号进行反馈调节。
优选的，所述补偿系数的计算公式为：
式中，bc为计算生成的补偿系数；δ为发射电路与接收电路的线圈相互之间的偏移估计量；μ0为空气的磁导率；n为发射电路或接收电路所用线圈的匝数；r为发射电路或接收电路所用线圈的半径；d为发射电路的线圈与接收电路所用线圈之间的距离；l1为发射电路中线圈的电感；γ为负载变换系数；q为发射电路在负载低或空载时的品质因数。
本发明还提供了一种无线充电系统，包括充电座、接受器以及上述的无线充电电路；所述无线充电电路中的充电电路以及发射电路设置在充电座中，所述接收电路与负载电路设置在接受器中，接受器设置在外部负载上，接受器与充电座配合即可为外部负载供电。
本发明的有益效果为：本发明使得第一开关电路与第二开关电路在能量通过电磁感应的方式从发射电路侧发射，接收电路接收的过程中，受控制电路发出的第一控制信号与第二控制信号控制导通，完成能量的感应转移；而在充电电路通过第一转移电容的传递为发射电路充能，以及与此同时的接收电路通过第二转移电容的传递为负载电路中的负载供能的过程中，受控制信号控制关断；本发明中设计合适的各电感参数使得各谐振回路的谐振周期或频率，使得其谐振回路的谐振周期相互区别，且保证转移到第一转移电容上的能量能在极短的时间被发射电路提取出去、接收电路上的能量也能在极短的时间传递给第二转移电容。本发明通过控制信号的控制使得能量的注入、传递、提取相互独立，避免相互干扰；这样使得所述充电电路与系统不仅具有较高的充电效率，还保证了较高的输出功率能力。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1为本发明一个优选实施例中无线充电电路的原理示意图；
图2为本发明一个优选实施例中无线充电电路中的充电电路的电路图；
图3为本发明一个优选实施例中无线充电电路中的中间储能电路的电路图；
图4为本发明一个优选实施例中无线充电电路中的负载电路的电路图；
图5是本发明一个优选实施例中无线充电电路的第一控制信号与第二控制信号的时序图。
附图标记：
充电电路1，发射电路2，接收电路3，负载电路4；第一开关电路5，第一转移电容6，第二开关电路7，第二转移电容8，第一控制信号cs1，第二控制信号cs2。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，提供了一种无线充电电路的电路原理图；本实施例中，提供了一种无线充电电路，包括充电电路1、中间储能电路、负载电路4以及控制电路；所述中间储能电路包括发射电路2以及接收电路3；所述充电电路用于将外部电源的电能存储进入充电电路中，其输入端连接外部直流电源，输出端通过电连接的方式连接到发射电路的输入端；发射电路的输出端通过磁感应耦合的方式连接至接收电路的输入端，所述发射电路用于将储存在充电电路中的能量抽取到发射电路中；所述接收电路的输出端连接至负载电路的输入端；所述发射电路与接收电路都为谐振网络电路，通过同步谐振，将发射电路的能量通过发射电路的输出端无线传输至接收电路的输入端；所述负载电路的输出端连接有负载，所述负载电路用来将接收电路接收的能量抽取至负载电路中进而传输给负载；所述控制电路用于控制充电电路、发射电路与接收电路、负载电路在不同工作状态下的工作时序控制。
本实施例中，参加图2，所述充电电路包括第一二极管d1、充电电感lc、第一开关电路5以及第一转移电容cq；所述第一二极管的一端连接至充电电路输入端的第一端；第一二极管的另一端连接至充电电感的第一端，充电电感的第二端连接至第一开关电路的第一端，所述第一开关电路第二端连接至充电电路输入端的第二端；所述第一开关电路的两端并联有第一转移电容，所述第一转移电容的两端即为充电电路的输出端。
本实施例中，参见图3，所述发射电路包括第一电容c1、第一谐振线圈；所述第一谐振线圈的电阻为第一电阻r1，电感为第一电感l1；所述发射电路中第一电容、第一电阻与第一电感串联；所述接收电路包括第二谐振线圈、第二电容c2；所述第二谐振线圈的电阻为第二电阻r2，电感为第二电感l2；所述接收电路中第二电感、第二电阻以及第二电容串联；所述发射电路的第一电容、第一电阻、第一电感与接收电路的第二电容、第二电阻、第二电感参数对应相等。
本实施例中，参见图4，所述负载电路包括第二开关电路7、第四二极管d4、第五二极管d5、第二转移电容6以及低通滤波电路；所述第二开关电路并联在负载电路的输入端，所述第四二极管的输入端连接在第二开关电路的第一端；所述第四二极管的输出端连接有第五二极管的输出端，第五二极管的输入端连接至负载电路输入端的第二端；第五二极管的两侧并联有第二转移电容；所述低通滤波电路并联在第二转移电容的两端；所述低通滤波电路包括有滤波电感ls以及第三电容c3；所述滤波电感与第三电容串联，滤波电感的第一端与第一转移电容的第一端连接；所述第三电容的两端出口即为负载电路的输出端。
本实施例中，所述第一开关电路包括第一可控晶体管以及并联在第一可控晶体管两侧的反向续流第一二极管；所述第二开关电路包括第二可控晶体管以及并联在第二可控晶体管两侧的反向续流第二二极管。
本实施例中，所述负载可以为电阻rl；所述电阻rl的两端并联在负载电路的输出端；所述电阻rl可以是所述负载电路输出端所连接的电路表现出的等效负载。
本具体实施中，所述第一可控晶体管可以为第一nmos晶体管(图中未示出)，所述第一nmos晶体管的源极和漏极分别连接在所述充电电感lc的第二端和所述充电电路输入端的第二端，所述第一nmos晶体管的栅极输入有所述第一控制信号cs1。
本具体实施中，所述第二可控晶体管可以为第二nmos晶体管(图中未示出)，所述第二nmos晶体管的源极和漏极分别连接在所述负载电路输入端的第一端和第二端，所述第二nmos晶体管的栅极输入有所述第二控制信号cs1。
需要说明的是，本实施例以所述第一可控晶体管和第二可控晶体管为nmos晶体管为例，但并不以此为限，所述第一可控晶体管和第二可控晶体管还可以采用如igbt晶体管的开关元件，或者采用不同开关元件的组合来实现，并同时对应的调整其控制信号，本实施例中不进行特殊限制。
本实施例中，所述无线充电电路还包括监测电路，用于监测发射电路与接收电路的电压与电流变化、以及负载电路的输出端的电压电流；所述控制电路接收监测电路监测到的数据，根据发射电路与接收电路的电压电流变化状态识别无线充电电路各部分电路的工作状态，并生成第一控制信号cs1与第二控制信号cs2分别对应控制第一开关电路与第二开关电路。
参见图5，本实施例中，所述第一控制信号与第二控制信号都为具有一定占空比的方波信号；所述两个方波信号的周期相同都为t，且周期变化同步；所述第一控制信号的周期t依充电电路工作状态划分为第一时间段t1，第二时间段t2以及第三时间段t3；所述第二控制信号的周期t依电路工作状态划分为第一时间段t1′，第二时间段t2′，第三时间段t3′以及第四时间段t4′；所述第一控制信号的第二时间段t2和第三时间段t3与第二控制信号的第二时间段t3′以及第三时间段t4′对应同步相等；所述第一控制信号的第一时间段t1与第二控制信号的第一时间段t1′及第二时间段t2′之和对应相等(即t1＝t1′+t2′)。
在第一控制信号以及第二控制信号的控制下，所述无线充电电路的能量传输在控制信号的不同时序阶段的过程分析如下：
(1)能量转移阶段：
在第一控制信号的第一时间段t1内，第一控制信号在该时间段的全部时间都作用在第一开关电路上，触发可控晶体管导通，将第一转移电容cq短路；充电电路通过电源vdd、二极管d1、充电电感lc以及导通的可控晶体管s1构成的回路对充电电感充电储能，使得充电电感lc的电流上升；同时，发射电路与导通的可控晶体管s1构成谐振回路，使得上一个时间阶段t3发射回路中储存的能量沿着c1-l1-r1谐振回路振荡转移到接收回路的谐振拓扑电路中；
第二控制信号在其对应的第一时间段t1′内作用在第二开关电路上，触发可控晶体管s2导通，此时，接收电路与导通的可控二极管连接构成接收回路；接收回路的谐振拓扑电路接收吸收发射电路谐振传递过来的电能，并将其储存在电容c2中，使得电容c2两端的电压上升；与此同时，负载回路中的第二转移电容cp，电感ls与电容c3将其内部的能量供给负载rl上；当电容c2两端的电压上升到一设定值uset时，第二控制信号在其对应的第一时间段t2′内控制可控晶体管s2关断，并控制二极管d3导通，使得接收电路谐振拓扑电路继续接收吸收发射电路谐振传递过来的电能，此时电容c2继续储存能量。
(2)能量注入阶段：
所述第二时间段t2与第三时间段t3′对应同步且相等；当第一时间段t1中，第一控制信号触发可控晶体管s1导通，使得电感中的电流上升；当至一设定值iset时，此时进入第二时间段t2,第一控制信号控制可控晶体管s1关闭，此时，充电电感lc中的能量通过d1-lc-cq谐振回路转移到第一转移电容cq中，且同时，cq-c1-r1-l1也构成一谐振回路，将第一转移电容中的能量谐振注入到发射电路的谐振网络中；在该时间段内，第一转移电容cq中的能量全部抽取到发射电路的谐振网络中的电容c1内，直至电容c1两端的电压达到设定值ucs；所述第一转移电容cq的电容需设计成与发射电路谐振网络以及充电电感lc相适应的值。
所述第一转移电容cq的设计公式为：
式中，β为谐振网络d1-lc-cq的谐振周期与谐振网络cq-c1-r1-l1的谐振周期的比值。
本优选实施例中，考虑到了在第一控制信号的第二时间段内，第一转移电容既参与了前级谐振网络d1-lc-cq谐振能量转移至cq，同时参与了后级谐振网络cq-c1-r1-l1将cq中的能量转移提取出来，利用该两处谐振周期的设定比值，基于能量传输，设计了第一转移电容的理论计算公式，在实际情况下，在第一转移电容的理论值附近多次测试，即可确定其电容的实际优选值。
在第二控制信号的第三时间段t3′中，第二控制信号继续关断可控晶体管s2，经过上一时间段t2′，电感l2的能量完全转移到电容c2中，使得c2的电压到达最大设定值uset’；此时，控制二极管d4导通，形成由c2-l2-cp构成的谐振网络；设计与电感l2以及电容c2相适应配合的第二转移电容cp，使得电容c2中储存的能量在谐振网络的谐振周期的一半时间内快速转移到第二转移电容cp中。
所述第二转移电容cp的设计公式为：
式中，所述ρ为谐振网络cp-ls-c3的谐振周期与谐振网络l2-c2-cp的谐振周期的比值。
本优选实施例中，基于谐振网络cp-ls-c3的谐振与谐振网络l2-c2-cp的谐振发生在第二控制信号的不同时间段内，前述谐振网络l2-c2-cp的谐振发生在第二控制信号的第三时间段t3′内，对电容cp进行充能；而谐振网络cp-ls-c3的谐振发生在第二控制信号的第四时间段t4′内，对电容cp进行放能；这两个过程互相独立无能量的交互，故从谐振周期的角度，考虑设定合适了的谐振网络cp-ls-c3的谐振周期与谐振网络l2-c2-cp的谐振周期的比值，来以此确定所述第二转移电容cp的理论计算值。在实际情况下，在第一转移电容的理论值附近多次测试，即可确定cp其电容的实际优选值。
(3)能量提取阶段：
所述第三时间段t3与第四时间段t4′对应同步相等；在第三时间段t3内，反向二极管d2导通，此时，充电电感lc继续将能量转移至c1中，在谐振网络lc-c1-r1-l1中的谐振电流减小为0时，第一控制信号立即触发可控开关管s1，使之导通进入下一个循环周期t对应电路的第一时间段t1的工作状态；在第二控制信号的第四时间段t4′内，第二转移电容cp内的能量向电感ls以及电容c3组成的回路释放，为负载rl提供电压与电流，将能量传递给负载；其中供给负载的输出电压为设定值ufz；当第二转移电容cp向负载放电完成后，第二控制信号触发可控晶体管s2导通，再次形成谐振接收回路，进入下一个循环周期t对应电路的第一时间段t1′的工作状态。
本优选实施例中，设计了方向二极管d4以及续流二极管d5，通过方向二极管将给第二转移电容cp充电的过程与第二电容cp放电给负载的过程隔开，防止了能量的回流，降低负载对接收电路侧的影响。
本实施例中，考虑到发射端的谐振网络可能发射谐振频率微移以及负载影响，发射电路与接收电路间的耦合系数、负载切入切出造成能量变化会对电路中的电压电流产生影响，造成其波动。
本实施例中，所述控制电路在接受到监测电路传来的非正常波动的信号数据时，控制电路还用来生成补偿系数，所述补偿系数对控制电路发出的第一控制信号与第二控制信号进行修正微调，用来对充电电路以及负载电路的电压与电流信号进行反馈调节。
优选的，所述补偿系数的计算公式为：
式中，bc为计算生成的补偿系数；δ为发射电路与接收电路的线圈相互之间的偏移估计量；μ0为空气的磁导率；n为发射电路或接收电路所用线圈的匝数；r为发射电路或接收电路所用线圈的半径；d为发射电路的线圈与接收电路所用线圈之间的距离；l1为发射电路中线圈的电感；γ为负载变换系数；q为发射电路在负载低或空载时的品质因数。
本优选实施例中，在控制电路的设计中，考虑到该电磁感应电能传输系统的动态响应十分迅速，故设计了控制原理简单的控制器，基于补偿系数对可控开关管的控制信号的循环各时间段的周期调节，并设计了补偿信号的计算公式，考虑了发射电路与接收电路的耦合以及负载的影响，通过如此设计，足以保证控制效果且同时保证有较高的响应速度。
本优选实施例中，使得第一开关电路与第二开关电路在能量通过电磁感应的方式从发射电路侧发射，接收电路接收的过程中，受控制电路发出的第一控制信号与第二控制信号控制导通，完成能量的感应转移；而在充电电路通过第一转移电容的传递为发射电路充能，以及与此同时的接收电路通过第二转移电容的传递为负载电路中的负载供能的过程中，受控制信号控制关断；本发明中设计合适的各电感参数使得各谐振回路的谐振周期或频率，使得其谐振回路的谐振周期相互区别，且保证转移到第一转移电容上的能量能在极短的时间被发射电路提取出去、接收电路上的能量也能在极短的时间传递给第二转移电容。本发明通过控制信号的控制使得能量的注入、传递、提取相互独立，避免相互干扰；这样使得所述充电电路与系统不仅具有较高的充电效率，还保证了较高的输出功率能力。
本实施例中，还提供了一种无线充电系统，包括充电座、接受器以及上述的无线充电电路；所述无线充电电路中的充电电路以及发射电路设置在充电座中，所述接收电路与负载电路设置在接受器中，接受器设置在外部负载上，接受器与充电座配合即可为外部负载供电。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当分析，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。